物质的微观结构解析

1、第十二章 物质的微观结构A、原子的核式结构【知识点1】了解电子的发现1、 英国物理学家汤姆逊对阴极射线进行了一系列的实验研究，1897年，他确认阴极射线是由质量小于氢原子质量千分之一的带负电的粒子组成的，汤姆逊把这种粒子叫电子。以后美国物理学家密立根精确地测定了电子的电量，电子的电量是e=1.6 x 1O-19C;电子的质量-30是 m= 0.91 x 10 kg。2、汤姆逊发现电子，是物理学史上的重要事件。电子比已知的最小的原子还要小，它说明原子不是构成物质的最小微粒，原子本身也具有结构，原子还可以再分，这样“原子不可分”的观念就彻底被否定了。通常情况下，原子是电中性的，而电子是原子的组成部

2、分，电子带负电且质量又很小，那么原子里一定还有带正电的且集中了原子几乎所有质量的部分。电子和原子中带正电的部分是怎样组成原子的呢？科学家们曾提出了几种原子模型，汤姆逊提出的原子模型是：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子则镶嵌在球内（“枣糕型”）。【知识点2】知道a粒子散射实验1、 实验目的：英国物理学家卢瑟福想证明汤姆逊原子模型的正确性，1911年起做了 “a粒子散射实验”。所谓“ a粒子散射实验”是用放射性元素钋放出的a粒子束，轰击金箔的实验。实验结果却否定了汤姆逊原子模型。2、 为什么用a粒子轰击金箔？原子的结构非常紧密，要认识原子的组成，需要用高速粒子对它进行轰击，以便对产

3、生的物理现象进行分析。由于a粒子具有足够的能量，有可能接近原子的中心，并且a粒子还可以使荧光物质发光，如果a粒子因与其它粒子发生相互作用而改变了运动的方向， 便可在荧光屏上显示出它的方向变化，因此卢瑟福用a粒子散射的 方法来研究原子的结构。定向障碍板图 12-A-13、实验装置：主要由：放射源、金箔、荧光 屏、显微镜和转动圆盘几部分组成，如图12-A-1所示。放射源钋放出a粒子；为避免气体分子对 a 粒子的运动产生影响，整个装置放在真空中；使 用金箔的目的有二个：（1）金有极好的延展性， 便于制成很薄的金箔，使a粒子在穿过金箔的过程中只与某一个金原子发生相互作用，（2）金的原子序数很大，这样金

4、原子跟a粒子有足够大的库仑力，使产生的物理现象更为明显。实验过程中，荧光屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动，可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的a粒子的径迹。4、实验结果以及对结果分析：实验的结果：a粒子穿过金箔后“绝大多数”沿原来的方向前进；“少数”发生了较大的偏转；“极少数”发生了大角度偏转；“有的甚至”被反弹。对结果分析：由于电子带负电，其质量约为 a粒子的1 / 7300，不可能使动能较大的 a 粒子产生大角度偏转。若按汤姆逊原子模型，原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内， a粒子穿过原子时由于 a粒子周围正电荷对它的斥力有相当一部分互相抵消，使a粒子偏转的力也不会很大，因此a粒

5、子的大角度偏转说明汤姆逊模型与实验事实不符。实验现象中的“绝大多数” a粒子穿过金箔后方向没有明显改变，表明a粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分几乎是空的，实验现象中的“极少数”a粒子发生了大角度偏转，“有的甚至”反弹回来，说明a粒子在原子中的某些地方受到了质量、电量均比a粒子本身大得多的原子核的作用。【知识点3】知道卢瑟福原子核式结构模型卢瑟福原子核式结构学说是：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。原子半径大约是10-1°m核的大小约为10-1410-15m,假如把原子核比

6、作一个乒乓球，那 么整个原子就有一个足球场大；原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，最小的原子核是氢原子核，其质量是核外电子质量的184°倍；电子绕核高速旋转，就如太阳系中行星绕着太阳运转一样。电子做圆周运动所需要的向心力是原子核对电子的库仑力。根据原子的核式结构学说，a粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的库仑斥力就很小，运动方向基本不变只有当a粒子与核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，发生大角度 的偏转，产生散射根据a粒子散射实验的数据可估计出原子核直径的数量级为1°-14-15- 1°1° m，原子直径的数量级约为1° m，可见整个

7、原子是十分“空旷”的。【典型例题】例1 : a粒子散射实验中，图12-A-2所示的a粒子的运动轨迹中不可能能存在的是()(A) (I );( B) (2);( C) (3);(D) (4)。分析与解 a粒子是氦原子核，带正电，金核也带正电，因而它们间的 库仑力是斥力。所以图 12-A-2中的轨迹(2)和(3)是不可能 的，故应选(B)、( C)。解题关键理解a粒子散射的原因。或有错误的是例2:下列叙述中，不属于卢瑟福原子核式结构学说内容的，(A) 原子的全部正电荷集中在一个很小的核上。(B) 原子的全部质量集中在一个很小的核上。(C) 电子在核外绕核做圆周运动。(D) 电子运动的可能轨道对应一

8、系列不连续的能量。分析与解(A)显然正确。负电荷的卢瑟福的原子核式结构学说解决了原子中正电荷的分布问题，分布问题在核式结构学说中只提及电子在核外绕核运动，没有涉及可能轨道的问题，因而(D)是不属于卢瑟福原子核式结构学说内容的，(C)是正确的。又电子在核外，因而原子的质量只是几乎全部集中在核内，核外还有电子的质量，选项(B)是错误的，故应选(B)、( D)。解题关键要全面、正确地理解卢瑟福的原子核式结构学说的内容。练习题1. 下列的说法正确的是 ()(A) 阴极射线管的阴极与电源的正极相连接；(B) 阴极射线管的电源使用交流电；(C) 阴极射线垂直电场方向进入电场后会发生偏转；(D) 阴极射线是

9、由带负电的电子组成的。在用a粒子轰击金箔的实验中， 发现a粒2. 卢瑟福提出原子的核式结构学说的根据是，子(A) 全部穿过或发生很小的偏转；(B) 绝大多数穿过，只有少数发生很大偏转，甚至极少数被弹回；(C) 绝大多数发生很大的偏转，甚至被弹回，只有少数穿过；(D) 全部发生很大的偏转。3. 根据卢瑟福的原子核式结构模型，下列说法正确的是()(A) 原子中的正电荷均匀分布在整个原子范围内。(B) 原子中的质量均匀分布在整个原子范围内。(C) 原子中的正电荷和质量都均匀分布在整个原子范围内。(D) 原子中的正电荷和几乎全部质量都集中在很小的区域内。4. 卢瑟福对a粒子散射实验的解释是()(A)

10、使a粒子产生偏转的主要力是原子中电子对a粒子的作用力；(B) 使a粒子产生偏转的力主要是库仑力；(C) 原子核很小，a粒子接近它的机会很少，所以绝大多数的a粒子仍沿原来的方向前进；(D) 能产生大角度偏转的 a粒子是穿过原子时离原子核近的a粒子。5在a粒子散射实验中，如果一个 a粒子跟金箔中的电子相撞，则()(A) a粒子的动能几乎没有损失；(B) a粒子将损失大部分动能；(C) a粒子不会发生显著的偏转；(D) a粒子将发生较大角度的偏转。6在a粒子散射实验中，当 a粒子最接近金核时()(A) a粒子动能最小；(B) a粒子受到的库仑力最大；(C) a粒子电势能最小；(D) a粒子速度的变化

11、率最小。7 .图12-A-3所示，各图表示卢瑟福 a粒子散射实验的原子核和两个a粒子的径迹，其中可能正确的是()(A) (B)(C)( D)图 12-A-38. 发现电子的科学家是 ，他提出了 原子模型。9. 卢瑟福的原子核式结构模型的内容是 。10 .原子半径的数量级是m ，原子核半径的数量级是 丄。B物质的放射性及其应用 【知识点1】知道a、B、丫射线的本质和性质1、天然放射现象：放射性元素不断自发地放出射线的现象，这种射线来自于原子核，原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有放射性；原子序数小于83的天然存在的元素也有一些具有放射性。天然放射现象是法国物理学家贝克勒尔首先发现的。2、

12、三种射线：放射性物质天然衰变时放射出的射线有三种，即a伙丫射线，它们的本质和性质如表下所示。本质速度电量质量数穿透本领电离本领a射线高速氦核流 C/102e4u最弱最强3射线高速电子流 Ce0较强较弱丫射线高能光子流=C00最强最弱表中所列穿透本领，a射线的穿透本领很弱，在空气中只能前进几厘米，一张薄铝箔或 一张薄纸就能挡住它。B射线的贯穿本领较强，可以穿透几厘米的铝板；丫射线贯穿本领最强，能穿透几厘米的铅板。【知识点2】知道放射性元素的a衰变和B衰变及其衰变方程1、衰变：原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。 各种粒子的符号：a粒子一一2 He3粒子一一 :e正电子一一

13、0e质子一一；H电子一一 je中子一一0n氘核一一2H以上粒子符号中左下角的下标表示粒子电量数，左上角的上标表示粒子的质量数。2、原子核的衰变满足：电荷守恒；质量数守恒；能量守恒。3、 在a衰变中，其核反应方程是 ZAX 二丫，；He ；4、在3衰变中，其核反应式是：:Xt z：丫十*e.5、丫辐射：原子核发生 a衰变和3衰变时产生的新核有的具有过多的能量，这时它会 辐射丫光子，丫射线是伴随a射线和3射线产生的。【知识点3】知道半衰期半衰期(T):放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫做半衰期；不同的放射性元素有不同的半衰期，甚至差别很大；半衰期的大小是由原子核内部因素决定的.跟这种元素

14、所处的物理状态和化学状态无关。半衰期长短反映了放射性元素衰变的快慢。设衰变前的原子核数为 Nb,衰变后的原子核数为 N, T为半衰期，t为衰变时间，则N= Nb ( 1/2 ) T【典型例题】例1 : (1)铀238具有a放射性，放出一个 a粒子变成什么，写出衰变方程(2)钍234具有3放射性，放出一个 3粒子变成什么，写出衰变方程分析与解(1 )铀238( 29；U )放出一个a粒子变成钍234( 234Th)，衰变方程是238Ut 234)Th*；He。(2 )钍234( 234Th)放出一个3粒子变成镁234(鬻Pa),衰变方程是 嚮丁* 23：Pa+e例2: 292u (铀)衰变为28

15、6 Rn (氡)，共发生了 次a衰变，次3衰变。12分析与解设共发生了 x次a衰变，y次B衰变，则可写出其衰变的核反应方程式为2389222286Rn+ x： He+ y根据质量数守恒和电荷数守恒，有:238= 222+ 4X92= 86+ 2X- y解得 x = 4, y= 2 所以共发生了 4次a衰变和2次B衰变。解题关键关键是要抓住衰变的核反应方程及衰变前后质量数、电荷数守恒的规律。例3:关于3衰变所释放的电子，下列说法中正确的是 ()(A) 由于它是从原子核中释放出来的，所以它是原子核的组成部分(B) 它是原子核的核外电子(C) 当它通过空气时电离作用很强(D) 它的穿透本领很强分析与

16、解3衰变所释放的电子来源于原子核，但电子不是原子核的组成部分。(在以后的学习中我们会理解 3衰变的实质)选项 A B错；3射线的穿透本领很强但电离作用 弱故选项C错，选项D正确。解题关键记住三种射线的本质和性质例4: 一放射性物质的半衰期是 3天，用计数器探测得一小瓶装有该物质的放射源每分钟发生衰变的次数为 24000次，则经过12天，该放射源每分钟衰变的次数为多少？分析与解放射性物质单位时间内衰变的次数跟尚未发生衰变的放射性物质的质量成正比。要根据M= M)(1/2 )T推算出剩余质量与原有质量的比值，也就可求出该放射源在每分钟发生衰变的次数。经过12天剩余的放射性物质的质量与原有质量的比值

17、M /Mo=( 1/2 ) (12/3) = 1/16所以经过12天每分钟衰变的次数为 24000 X( 1/16 )= 1500 (次)解题关键要明确半衰期的意义和衰变规律。练习题1.2.3.4.在天然放射性元素的放射线中，已经查明，a身寸线是, 丫射线在a、3、丫三种射线中，穿透本领由强到弱的顺序是 在a、3、丫三种射线中，电离本领由强到弱的顺序是 在图12-B-1所示的实验示意图中， 下部是一个铅盒, 把微量的放射源放在铅盒底部，由于射线不能穿透很厚的铅板，因此由放射源放出的射线就沿铅盒上方的 小孔向外射出。将整个装置放在电场中，可以从照相 底片感光的位置发现， 射线在电场的作用下分成了

18、三OO图 12-B-1束。试在图中标出三种射线的名称5完成下列衰变方程式1)镭( 28286 Ra )自发衰变为为氦和氡；2)钍230 ( 230Th)发生a衰变;3)钫 223(2873Fr )发生3衰变;67.a 射线的本质是(A)电子流；(C)光子流；以下几个原子核反应式中，(B)高速电子流；(D)高速氦核流。X 代表 a 粒子的反应式是(A) 4 He+4 Be；C+X(B) 234 Th t23941 Pa+X8.C) 21H+31H t 01n+X(D) 10 P t3104 Si+X238u经3次a衰变和2次3衰变，最后得到的原子核中的电量数为( A) 92；( B) 88；(

19、C) 138；( D) 236。9. 放射性探伤是利用了()( A) a 射线的电离本领；( B) 3 射线的贯穿本领；(C) 丫射线的贯穿本领；(D)放射性元素的示踪本领。10. 若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B,经过20天后，剩下的质量之比 mA /mBA) 30:31 ；( B) 31:30 ；( C) 1:2 ；( D) 2:1 。11Bi的半衰期是5天，10克铋210经过20天还剩下多少?12 放射性同位素24 Na的样品经过6小时后还剩下1/8没有衰变，它的半衰期是多少?C、 原子核的组成【知识点1】了解原子核的人工转变、质子的发现问题的提出： 原子

20、核的天然衰变现象发现以后， 使人们认识到原子核仍然具有复杂的结 构，并且原子核是能够发生变化的。 人们自然联想到是否能用人工的方法使原子核发生变化， 原子核到底是由什么组成的?原子核的人工转变： 人为地用高能粒子撞击原子核， 使它转变成另一种新原子核， 这个 过程叫原子核的人工转变。卢瑟福实验：1919年卢瑟福做了用 a粒子轰击氮核的实验，发现了质子，首次完成了原子核的人工转变的实验。发现质子的核反应方程为：14n+ 4 He t1 Ho【知识点2】了解中子的发现卢瑟福预言中子的存在： 质子的发现，使人们对原子核中包含质子成为共识， 但如果原 子核只是由质子组成，它的电荷数（以基本电荷为单位）

21、应该与质量数（单位u）相等，但是实际上原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些，卢瑟福根据这一事实， 预言原子核内还有质量跟质子相等的不带电的中性粒子（中子）存在。中子的发现：1930年人们在用由钋放射出的a射线轰击铍时产生了一种不知名的射线，它的贯穿能力极强，能够穿透几厘米厚的铅后来用这种射线去轰击石蜡 （含有大量氢原子）, 竟能从石蜡中打出质子来。1932年英国物理学家查德威克经过仔细的研究和分析，发现这种射线在磁场中不发生 偏转，可见它是中性粒子流 又测出射线的速度约为十分之一光速，排除了它是丫射线的可能.他又用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出了一些氢核（质子）和氮核他测出了被打出

22、的氢核和氮核的速度，并由此计算出了这种射线粒子的质量，发现与氢核质量差不多，这样中子被发现了。【知识点3】了解原子核的组成中子发现后，物理学家海森伯和伊凡宁柯创立了原子核的质子一一中子结构学说，即原子核是由质子和中子组成的理论。质子和中子统称为核子。例：原子核238U （铀）中有238个核子、92个质子、146个中子。【典型例题】例：用a粒子轰击硼10,产生一个中子和一个具有放射性的核，这新核是 ;这新核可放出一个正电子，衰变所成的核为 ，其核反应方程式为 .分析与解原子核的人工转变与原子核的衰变一样满足：电荷数守恒；质量数守恒；能量守恒，由BHe；新核-（Jn可知，新核的电荷数（原子序数）为

23、 7,它的质量数为13, 故这种原子核为氮13,；由；Nt新核+扭可知，新核的电荷数（原子序数）为 6,质量数 为13,是碳13,其核反应方程式为JR o解题关键原子核的人工转变遵守电荷数、质量数守恒巩固练习1用a粒子轰击铍时得到原子核 16C，同时放出一种射线，关于这种射线的说法与事实不符的是（）（A ）它来自原子核；（B）它能穿透几厘米的铅板；（C）它在电场中不受力的作用；（D）它是一种带电粒子。2.科学家常用中子轰击原子核，这是因为中子（）（A ）质量较小；（B）质量较大；(C)能量较大;(D)显电中性。3. 如图12-C-1所示为查德威克发现中子实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出的a射线轰击铍时产生粒子流A,用粒子流A轰击石蜡时，会打出粒子流B,经研究104131(A) 5 B + 2 He f 7 N + i H ;(B)27 13人1 +127onf 12 Mg +1 on;94121(C) 4 Be + 2 He f 6C 十 0n;144171 (D)7 N + 2 He f 8